氧化鋅/氧化鉭雙介質(zhì)層憶阻器的突觸特性分析
發(fā)布時(shí)間：2021-02-04 14:58
針對(duì)TaOx單介質(zhì)層憶阻器在高低阻態(tài)突變切換和高運(yùn)行功耗對(duì)突觸可塑性模擬方面的不足,提出將氧化鋅介質(zhì)層引入Ti/TaOx/ITO憶阻器中的方案,擬改善其突觸性能.研究發(fā)現(xiàn),器件Ti/ZnO/TaOx/ITO在功耗和電導(dǎo)調(diào)制線性度方面皆有改善,并有著電阻漸變的行為,利于器件突觸功能的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用.為此對(duì)Ti/ZnO/TaOx/ITO雙介質(zhì)層器件進(jìn)行電壓脈沖訓(xùn)練,并成功模擬學(xué)習(xí)飽和、經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí),以及短時(shí)程記憶向長(zhǎng)時(shí)程記憶轉(zhuǎn)變等生物突觸行為.
【文章來源】：福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020,48(05)北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)
【部分圖文】：
器件的電流-電壓曲線及器件結(jié)構(gòu)示意
圖1(a)～(b)分別為器件S1(單阻變介質(zhì)層器件, 以下簡(jiǎn)稱單層器件)和器件S2(雙阻變介質(zhì)層器件, 以下簡(jiǎn)稱雙層器件)的器件結(jié)構(gòu)圖及典型的I-U曲線圖, 其中圖1(b)為雙層器件S2循環(huán)100次的I-U曲線圖. 通過對(duì)比可知, 盡管兩者的Set和Reset極性相反, 但兩者都表現(xiàn)出雙極性阻變行為. 與S1單層器件相比, S2雙層器件的功耗有所下降(S1器件的Set和Reset功率大約為1和20 mW, 而S2對(duì)應(yīng)的Set和Reset功率只有100和10 nW左右), 并且反復(fù)擦寫更加穩(wěn)定. S1單層器件在Set和Reset過程中, 表現(xiàn)出突變的電阻切換, 相比之下, S2雙層器件表現(xiàn)出更連續(xù)的電阻切換行為. 逐漸變化的電阻調(diào)制行為與生物突觸權(quán)重(神經(jīng)元間的連接強(qiáng)度)的變化行為比較接近[1]. 因此, S2器件更適合用來模擬生物突觸的可塑性.具有電導(dǎo)線性調(diào)制能力的憶阻器可用于模式識(shí)別并有助于提高模式識(shí)別的精度[18-19]. 為此, 分別對(duì)器件S1和S2的電導(dǎo)調(diào)制線性度進(jìn)行測(cè)量. 在器件上電極施加20個(gè)相同的電壓訓(xùn)練脈沖, 脈沖的幅度/脈寬為+3 V/10 ms, 脈沖之間間隔為100 ms, 每個(gè)刺激脈沖后附帶一個(gè)幅度為+0.3 V的讀脈沖來讀取器件的電導(dǎo)值; 正向脈沖施加完畢后, 立即在上電極上施加20個(gè)-3 V/10 ms的負(fù)向電壓脈沖, 脈沖間隔為100 ms. 重復(fù)以上操作, 在器件S1和器件S2上分別測(cè)得電導(dǎo)隨脈沖變化的三組數(shù)據(jù), 如圖2(a)～(b)所示, 圖2(c)為電壓脈沖示意圖. 可以看出圖2(b)相對(duì)于圖2(a)的電導(dǎo)調(diào)制線性度有一定的提高, 特別是施加正脈沖序列時(shí)(電導(dǎo)上升), 隨著脈沖的不斷施加, S2器件的電導(dǎo)變化近似呈一條直線, 而S1器件的電導(dǎo)會(huì)逐漸趨于飽和. 在基于氧化物的憶阻器中, 氧空位和氧離子的遷移和積累引起介質(zhì)層的電阻變化是一種被廣泛接受的阻變機(jī)制. 在器件S1中, 當(dāng)在上電極上施加正偏壓時(shí), 器件內(nèi)會(huì)產(chǎn)生氧離子和氧空位. 氧空位會(huì)向底電極遷移, 并在底電極發(fā)生積累, 逐漸形成導(dǎo)電通道; 氧離子會(huì)向上電極(Ti)遷移, 氧離子會(huì)逐漸與鈦電極發(fā)生反應(yīng), 形成氧化鈦層. 而文獻(xiàn)[20]認(rèn)為電極氧化層的形成會(huì)引起電導(dǎo)飽和效應(yīng)的產(chǎn)生, 其主要原因?yàn)楫?dāng)氧化層逐漸增厚, 不僅會(huì)阻礙氧離子與鈦電極進(jìn)一步反應(yīng), 還會(huì)分走介質(zhì)層上的部分電壓, 導(dǎo)致氧離子和氧空位的遷移速度逐漸變慢, 最終使器件產(chǎn)生電導(dǎo)飽和效應(yīng). 而S2器件中引入了氧化鋅層, 在制備過程中, 由于ZnO和TaOx的吉布斯自由能不同(ΔGf, ZnO=-318.2 kJ·mol-1; ΔGf, TaOx=-1 904 kJ·mol-1), ZnO的吉布斯自由能更高, ZnO中的氧離子會(huì)進(jìn)入TaOx介質(zhì)層中, 所以ZnO層的氧空位濃度較高, 當(dāng)在正電極上施加正偏壓時(shí), 氧離子要先從TaOx層進(jìn)入氧化鋅層, 然后再遷移到鈦電極附近進(jìn)行反應(yīng), 氧化鋅層會(huì)捕獲一部分的氧離子, 阻礙電極氧化層(TiOx)的形成, 使氧空位和氧離子得以以較為均勻的速度進(jìn)行遷移, 從而緩解電導(dǎo)飽和效應(yīng), 提升電導(dǎo)調(diào)制線性度. 所以, 相較S1單介質(zhì)層器件, 加入ZnO層的S2器件, 在電導(dǎo)調(diào)制線性度方面有所改善.
綜上所述, S2器件有著更低的功耗、 更連續(xù)的電阻變化和更好的電導(dǎo)線性調(diào)制能力, 這表明S2器件具備作為電子突觸應(yīng)用的可能[2]. 因此, 對(duì)S2器件的突觸性能進(jìn)行了一系列的研究. 生物中的突觸的連接強(qiáng)度會(huì)隨著前后神經(jīng)元的活動(dòng)而發(fā)生改變, 與刺激信號(hào)的時(shí)序、 頻率以及強(qiáng)度等相關(guān). 為了進(jìn)一步分析電子突觸的學(xué)習(xí)行為, 分別研究了電壓脈沖的幅值大小、 脈寬和間隔對(duì)器件電導(dǎo)調(diào)制的影響. 根據(jù)控制變量法, 分別改變訓(xùn)練脈沖的幅值(2、 4和5 V)、 脈寬(5、 50和100 ms)和脈沖間隔(60、 200 和400 ms), 測(cè)得器件電導(dǎo)隨脈沖的變化趨勢(shì)圖, 分別如圖3(a)～(c)所示(訓(xùn)練脈沖示意圖如圖3(d)所示).圖3 訓(xùn)練脈沖參數(shù)對(duì)突觸飽和效應(yīng)的影響
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于憶阻器模擬的突觸可塑性的研究進(jìn)展[J]. 張晨曦,陳艷,儀明東,朱穎,李騰飛,劉露濤,王來源,解令海,黃維. 中國(guó)科學(xué):信息科學(xué). 2018(02)
[2]Synaptic electronics and neuromorphic computing[J]. Navnidhi K.UPADHYAY,Saumil JOSHI,J.Joshua YANG. Science China（Information Sciences）. 2016(06)
本文編號(hào)：3018500
【文章來源】：福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020,48(05)北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)
【部分圖文】：
器件的電流-電壓曲線及器件結(jié)構(gòu)示意
圖1(a)～(b)分別為器件S1(單阻變介質(zhì)層器件, 以下簡(jiǎn)稱單層器件)和器件S2(雙阻變介質(zhì)層器件, 以下簡(jiǎn)稱雙層器件)的器件結(jié)構(gòu)圖及典型的I-U曲線圖, 其中圖1(b)為雙層器件S2循環(huán)100次的I-U曲線圖. 通過對(duì)比可知, 盡管兩者的Set和Reset極性相反, 但兩者都表現(xiàn)出雙極性阻變行為. 與S1單層器件相比, S2雙層器件的功耗有所下降(S1器件的Set和Reset功率大約為1和20 mW, 而S2對(duì)應(yīng)的Set和Reset功率只有100和10 nW左右), 并且反復(fù)擦寫更加穩(wěn)定. S1單層器件在Set和Reset過程中, 表現(xiàn)出突變的電阻切換, 相比之下, S2雙層器件表現(xiàn)出更連續(xù)的電阻切換行為. 逐漸變化的電阻調(diào)制行為與生物突觸權(quán)重(神經(jīng)元間的連接強(qiáng)度)的變化行為比較接近[1]. 因此, S2器件更適合用來模擬生物突觸的可塑性.具有電導(dǎo)線性調(diào)制能力的憶阻器可用于模式識(shí)別并有助于提高模式識(shí)別的精度[18-19]. 為此, 分別對(duì)器件S1和S2的電導(dǎo)調(diào)制線性度進(jìn)行測(cè)量. 在器件上電極施加20個(gè)相同的電壓訓(xùn)練脈沖, 脈沖的幅度/脈寬為+3 V/10 ms, 脈沖之間間隔為100 ms, 每個(gè)刺激脈沖后附帶一個(gè)幅度為+0.3 V的讀脈沖來讀取器件的電導(dǎo)值; 正向脈沖施加完畢后, 立即在上電極上施加20個(gè)-3 V/10 ms的負(fù)向電壓脈沖, 脈沖間隔為100 ms. 重復(fù)以上操作, 在器件S1和器件S2上分別測(cè)得電導(dǎo)隨脈沖變化的三組數(shù)據(jù), 如圖2(a)～(b)所示, 圖2(c)為電壓脈沖示意圖. 可以看出圖2(b)相對(duì)于圖2(a)的電導(dǎo)調(diào)制線性度有一定的提高, 特別是施加正脈沖序列時(shí)(電導(dǎo)上升), 隨著脈沖的不斷施加, S2器件的電導(dǎo)變化近似呈一條直線, 而S1器件的電導(dǎo)會(huì)逐漸趨于飽和. 在基于氧化物的憶阻器中, 氧空位和氧離子的遷移和積累引起介質(zhì)層的電阻變化是一種被廣泛接受的阻變機(jī)制. 在器件S1中, 當(dāng)在上電極上施加正偏壓時(shí), 器件內(nèi)會(huì)產(chǎn)生氧離子和氧空位. 氧空位會(huì)向底電極遷移, 并在底電極發(fā)生積累, 逐漸形成導(dǎo)電通道; 氧離子會(huì)向上電極(Ti)遷移, 氧離子會(huì)逐漸與鈦電極發(fā)生反應(yīng), 形成氧化鈦層. 而文獻(xiàn)[20]認(rèn)為電極氧化層的形成會(huì)引起電導(dǎo)飽和效應(yīng)的產(chǎn)生, 其主要原因?yàn)楫?dāng)氧化層逐漸增厚, 不僅會(huì)阻礙氧離子與鈦電極進(jìn)一步反應(yīng), 還會(huì)分走介質(zhì)層上的部分電壓, 導(dǎo)致氧離子和氧空位的遷移速度逐漸變慢, 最終使器件產(chǎn)生電導(dǎo)飽和效應(yīng). 而S2器件中引入了氧化鋅層, 在制備過程中, 由于ZnO和TaOx的吉布斯自由能不同(ΔGf, ZnO=-318.2 kJ·mol-1; ΔGf, TaOx=-1 904 kJ·mol-1), ZnO的吉布斯自由能更高, ZnO中的氧離子會(huì)進(jìn)入TaOx介質(zhì)層中, 所以ZnO層的氧空位濃度較高, 當(dāng)在正電極上施加正偏壓時(shí), 氧離子要先從TaOx層進(jìn)入氧化鋅層, 然后再遷移到鈦電極附近進(jìn)行反應(yīng), 氧化鋅層會(huì)捕獲一部分的氧離子, 阻礙電極氧化層(TiOx)的形成, 使氧空位和氧離子得以以較為均勻的速度進(jìn)行遷移, 從而緩解電導(dǎo)飽和效應(yīng), 提升電導(dǎo)調(diào)制線性度. 所以, 相較S1單介質(zhì)層器件, 加入ZnO層的S2器件, 在電導(dǎo)調(diào)制線性度方面有所改善.
綜上所述, S2器件有著更低的功耗、 更連續(xù)的電阻變化和更好的電導(dǎo)線性調(diào)制能力, 這表明S2器件具備作為電子突觸應(yīng)用的可能[2]. 因此, 對(duì)S2器件的突觸性能進(jìn)行了一系列的研究. 生物中的突觸的連接強(qiáng)度會(huì)隨著前后神經(jīng)元的活動(dòng)而發(fā)生改變, 與刺激信號(hào)的時(shí)序、 頻率以及強(qiáng)度等相關(guān). 為了進(jìn)一步分析電子突觸的學(xué)習(xí)行為, 分別研究了電壓脈沖的幅值大小、 脈寬和間隔對(duì)器件電導(dǎo)調(diào)制的影響. 根據(jù)控制變量法, 分別改變訓(xùn)練脈沖的幅值(2、 4和5 V)、 脈寬(5、 50和100 ms)和脈沖間隔(60、 200 和400 ms), 測(cè)得器件電導(dǎo)隨脈沖的變化趨勢(shì)圖, 分別如圖3(a)～(c)所示(訓(xùn)練脈沖示意圖如圖3(d)所示).圖3 訓(xùn)練脈沖參數(shù)對(duì)突觸飽和效應(yīng)的影響
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于憶阻器模擬的突觸可塑性的研究進(jìn)展[J]. 張晨曦,陳艷,儀明東,朱穎,李騰飛,劉露濤,王來源,解令海,黃維. 中國(guó)科學(xué):信息科學(xué). 2018(02)
[2]Synaptic electronics and neuromorphic computing[J]. Navnidhi K.UPADHYAY,Saumil JOSHI,J.Joshua YANG. Science China（Information Sciences）. 2016(06)
本文編號(hào)：3018500
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